CN113113087A - 一种月球氦-3资源原位开采热释放的温度确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种月球氦‑3资源原位开采热释放的温度确定方法，属于月球资源开采技术领域。该方法首先选取钛铁矿作为月球氦‑3资源赋存的代表性矿物，利用建立的月球矿物赋存氦‑3资源的物理模型进行数值求解，并建立高真空、低重力的物理条件，以符合月球实际的环境，分析钛铁矿中氦‑3资源释放量和释放速率随加热温度、加热时间的演化规律，最后综合考虑月壤中氦‑3资源的释放速率和释放量，确定月球氦‑3资源原位开采的最优加热温度。该方法能够降低月球氦‑3资源原位开采时的能耗比。
Description
技术领域
本发明涉及月球资源开采技术领域，特别是指一种月球氦-3资源原位开采热释放的温度确定方法。
背景技术
由于月球高真空、低重力的环境特点，太阳风可以直接注入到月壤中，使得月壤中赋存了大量的太阳风物质，其中就包括了氦-3物质。氦-3是一种高效、清洁、安全的可控核聚变燃料，10吨氦-3就能满足我国全国一年所有的能源需求，同时氦-3的热核反应堆中没有中子，使用氦-3作为能源时不会产生辐射。在月球上原位开采利用氦-3资源已经成为诸多国家的研究内容，这既可以减少深空探测任务的成本，又可以降低对地球资源的依赖度。
氦-3资源赋存在月壤的矿物中，且在不同矿物中的含量差别较大，对氦-3资源的提取收集目前主要通过加热的方式，加热温度过低，赋存在月球矿物中氦-3将不会释放，而加热温度过高将会导致成本显著提升，因此确定月球氦-3资源原位开采的热释放温度至关重要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种月球氦-3资源原位开采热释放的温度确定方法，降低月球氦-3资源原位开采时的能耗比。
该方法首先基于月球上赋存氦-3资源的矿物类型以及不同的月球矿物对氦-3的赋存能力，选取钛铁矿作为月球氦-3资源赋存的代表性矿物，利用所建立的月球矿物赋存氦-3资源的物理模型进行数值求解，并建立高真空、低重力的物理边界条件，以符合月球实际的环境，分析钛铁矿中氦-3资源释放量和释放速率随加热温度、加热时间的演化规律，分析月球氦-3资源在不同开采温度时的能源消耗比，最后综合月壤中氦-3资源的释放速率、释放量及所需的能耗比三种因素，确定月球氦-3资源原位开采的最优加热温度。
具体包括步骤如下：
(1)选取钛铁矿作为月球氦-3资源赋存的代表性矿物进行开采；
(2)以钛铁矿的晶体空位和原子间隙的两种赋存方式构造氦-3赋存钛铁矿中的物理模型，并考虑月球上实际的物理环境，设置压力条件、重力条件；
(3)基于氦-3赋存钛铁矿中的物理模型并结合步骤(2)中设置的月球环境的压力条件及重力条件，对氦-3资源加热开采过程中的释放量Q(T，t)进行数值求解；
(4)绘制释放量Q与加热温度T的关系曲线图，拟合求得释放速率；
(5)绘制释放速率拟合曲线，计算临界点温度。
其中，步骤(1)中选取钛铁矿作为月球氦-3资源赋存的代表性矿物考虑的因素有钛铁矿对氦-3资源的赋存能力以及钛铁矿在月球氦-3资源富集区域的含量分布。
步骤(2)中晶体空位是指钛铁矿FeTiO3晶体中铁原子Fe、钛原子Ti以及氧原子O被氦-3原子占据晶***置的情况，原子间隙是指钛铁矿FeTiO3晶体中铁原子Fe、钛原子Ti以及氧原子O之间存在的间隙。
步骤(2)中压力条件为10-14倍的地球大气压，重力条件为1/6倍地球重力。
步骤(3)中所述物理模型是指以钛铁矿的晶体空位和原子间隙的两种赋存方式构造氦-3赋存钛铁矿中的物理模型。
步骤(3)中所述数值求解是一种可求解氦-3原子在钛铁矿中扩散速度的数值模拟方法，月球条件下钛铁矿中氦-3的扩散系数和温度的规律可通过下述关系来描述：
其中，D为扩散系数,m2/s，D0为频率因子，Ea为扩散活化能,KJ/mol，a为特征扩散长度，m，R为摩尔气体常数，T为绝对温度，K。
扩散系数和温度的规律，表明了当温度增加时，氦-3在月球矿物中的扩散系数是增大的，即意味着会有更多的氦-3释放到真空边界层中，氦-3的释放量增加。温度的增加，将使得氦-3的扩散系数增大，间接地导致月球氦-3的释放量增加。
步骤(4)中月球氦-3资源原位开采的热释放过程中，会出现释放速率不稳定的现象。氦-3释放速率不稳定指的是在从低温到高温加热提取氦-3的过程中，氦-3的释放速率会在某个临值点温度发生显著变化，在临值点温度之后如果继续提供更高的加热能量，将导致氦-3资源开采过程中所需的能耗比显著增加。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
1.该方法构建一个针对月球氦-3资源原位开采热释放的方法体系，将氦-3在月球矿物中的赋存、扩散以及释放的三个过程结合起来，有利于氦-3资源原位开采方案的整体优化；
2.该方法提出一种月球氦-3资源原位开采热释放温度的确定方法，考虑月球上高真空、低重力的物理条件，结合氦-3释放速率和释放量两个因素，确定最优的开采温度。
附图说明
图1为本发明实现月球氦-3资源原位开采的热释放温度确定流程图；
图2为本发明氦-3在钛铁矿晶体空位和原子间隙位置赋存的示意图；
图3为本发明赋存在月球矿物中的氦-3资源在不同开采温度下的释放量。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种月球氦-3资源原位开采热释放的温度确定方法。
如图1所示，该方法首先基于月球上赋存氦-3资源的矿物类型以及不同的月球矿物对氦-3的赋存能力，选取钛铁矿作为月球氦-3资源赋存的代表性矿物，利用建立的月球矿物赋存氦-3资源的物理模型进行数值求解，并建立高真空、低重力的物理边界条件，以符合月球实际的物理环境，分析钛铁矿中氦-3资源释放量和释放速率随加热温度、加热时间的演化规律，分析氦-3在不同开采温度时能源消耗比的变化情况，最后综合月壤中氦-3资源的释放速率、释放量及能耗比三个因素，确定月球氦-3资源原位开采的最优加热温度。
在具体实施过程中，步骤如下：
第一步，本方法选取钛铁矿作为月球氦-3资源赋存的代表性矿物进行开采。月球中赋存氦-3资源的矿物众多，一般钛铁矿中氦-3含量较高。
第二步，以钛铁矿的晶体空位和原子间隙的两种赋存方式构造氦-3赋存在钛铁矿中的物理模型，并考虑月球上实际的物理环境，设置压力条件、重力条件。一般设置压力条件为地球标准大气压的10-14倍，设置重力条件为地球重力条件的1/6。晶体空位是指钛铁矿FeTiO3晶体中铁原子Fe、钛原子Ti以及氧原子O被氦-3原子占据晶***置的情况，原子间隙是指钛铁矿FeTiO3晶体中铁原子Fe、钛原子Ti以及氧原子O之间存在的间隙。晶体空位和原子间隙如图2所示。
第三步，基于氦-3赋存钛铁矿中的物理模型并考虑月球环境的压力条件及重力条件，对氦-3资源加热开采过程中的释放量Q(T，t)进行数值求解。其中，T为含氦-3月球矿物的加热温度，t为持续加热的时间，一般设置为t0。一般地，加热的温度T分别选300K，500K，700K，900K，1100K，1300K，1500K，1700K，1900K这9个数值，通过数值求解，可以得到不同加热温度T的月球矿物中氦-3资源的释放量Q(T，t)。
第四步，绘制释放量Q与加热温度T的关系曲线图，拟合求得释放速率。如图3所示，一般释放量Q超过80％以后，氦-3资源的释放速度会发生明显减少。所以以释放量Q小于80％的所有数据进行拟合，得到释放速率v1的表达式，再以释放量Q大于80％的所有数据进行拟合，得到释放速率v2的表达式。如图3所示，一般释放速率v1、v2的表达式如下，可求得：
第五步，绘制释放速率拟合曲线，计算临界点温度。分别绘制释放速率v1的曲线和释放速率v2的曲线，两个曲线交叉点所对应的加热温度T即为临界点温度Topt。如图3所示，当前模型的临界点温度Topt为1000K。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种月球氦-3资源原位开采热释放的温度确定方法，其特征在于：首先选取钛铁矿作为月球氦-3资源赋存的代表性矿物，利用所建立的月球矿物赋存氦-3资源的物理模型进行数值求解，并建立高真空、低重力的物理边界条件，以符合月球实际的物理环境，分析钛铁矿中氦-3资源释放量和释放速率随加热温度、加热时间的演化规律，分析月球矿物中的氦-3资源在不同加热温度时能源消耗比，最后综合考虑月壤中氦-3资源的释放速率和释放量两种因素，确定月球氦-3资源原位开采的最优加热温度。
2.根据权利要求1所述的月球氦-3资源原位开采热释放的温度确定方法，其特征在于：具体包括步骤如下：
(1)选取钛铁矿作为月球氦-3资源赋存的代表性矿物进行开采；
(2)以钛铁矿的晶体空位和原子间隙的两种赋存方式构造氦-3赋存钛铁矿中的物理模型，并考虑月球上实际的物理环境，设置压力条件、重力条件；
(3)基于氦-3赋存钛铁矿中的物理模型并结合步骤(2)中设置的月球环境的压力条件及重力条件，对氦-3资源加热开采过程中的释放量Q(T，t)进行数值求解，其中，t为加热时间，T为加热温度，单位为K；
(4)绘制释放量Q与加热温度T的关系曲线图，拟合求得释放速率；
(5)绘制释放速率拟合曲线，计算临界点温度。
3.根据权利要求2所述的月球氦-3资源原位开采热释放的温度确定方法，其特征在于：所述步骤(1)中选取钛铁矿作为月球上氦-3资源赋存的代表性矿物考虑的因素有钛铁矿对氦-3资源的赋存能力以及钛铁矿在月球氦-3资源富集区域的整体含量分布。
4.根据权利要求2所述的月球氦-3资源原位开采热释放的温度确定方法，其特征在于：所述步骤(2)中压力条件为10-14倍的地球大气压，重力条件为1/6倍地球重力。
5.根据权利要求2所述的月球氦-3资源原位开采热释放的温度确定方法，其特征在于：所述步骤(3)中求解的方式是利用微观数值进行求解。
6.根据权利要求2所述的月球氦-3资源原位开采热释放的温度确定方法，其特征在于：所述的氦-3资源在释放前经过在矿物中扩散的过程，在扩散过程中，月球矿物内部的氦-3会首先扩散到矿物的表面，待温度继续升高后，月球矿物表面的氦-3开始向外界释放，其扩散系数和温度的规律通过阿伦尼乌斯关系来描述：
其中，D为扩散系数,m2/s，D0为频率因子，Ea为扩散活化能,KJ/mol，a为特征扩散长度，m，R为摩尔气体常数，T为绝对温度，K。
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